критерии эффективности очистки моторных масел от продуктов старения и его работоспособности

Остриков В.В., доктор технических наук, Бусин И.В., инженер, Попов С.Ю. инженер, математик-исследователь Забродский И.А.

ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии

В процессе работы моторного масла в двигателях внутреннего сгорания изменяется его вязкость, загрязненность, срабатываются присадки вместе с тем, данные свойства работающего масла взаимосвязаны и в целом характеризуют процесс его старения.

В настоящее время в науке химмотологии отсутствует единый подход или единичный показатель характеризующий качество работающего моторного масла для восстановления его свойств или замены по фактическому состоянию.

Существует достаточно много методов которые предполагают использование того или иного физико-химического показателя для оценки качества работающего моторного масла, различные комбинации показатели как критерии оценки работоспособности. Однако все данные исследования и разработанные методы направлены в основном на решение задач своевременной замены масел полностью отработавших свой ресурс.

В процессе старения в масле накапливаются продукты сгорания топлива, сгорания и разложения присадок образующие продукты окисления, которые при физико-химическом анализе могут характеризоваться изменением содержания нерастворимого осадка, щелочного числа, кислотного числа работающего масла.

Щелочное и кислотное число, как свежего, так и работающего масла являются важнейшими показателями свидетельствующими о содержании и срабатываемости присадок в масле. Так в ряде известных технологий продления сроков службы моторных масел и их замены по фактическому состоянию, щелочное число рассматривается как основной браковочный показатель.

Срок службы масла во многом зависит от исходного и остаточного содержания в нем антиокислительных, противоизносных и противозадирных присадок определяемых щелочным числом как значение не менее 6,0 мг КОН/г. для свежего масла и 1,5-2,5 мг КОН/г для масла отработавшего свой ресурс. /1/

Кислотное число товарного масла (свежего) имеет значение от 1мг КОН/г до 1,5 мг КОН/г и по мере наработки может увеличиваться.

В принципе кислотное число масла косвенно связано с содержанием присадок и по мере их срабатывания (наработки) должно уменьшаться, однако накапливающиеся в масле продукты окисления, старения масла искажают фактическое значение данного параметра, который зачастую даже не рассматривают как браковочный показатель срока службы или работоспособности масла.

Вместе с тем как показывают результаты многолетних исследований ГНУ ВНИИТиН по очистке отработанных масел /2/ если из отработанного масла удалить 80…90% смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов, то кислотное число уменьшится с 1,5 мг КОН до 0,3-0,5 мг КОН/г. С учетом щадящих воздействий на остаточную базу присадок можно предположить, что данные значения в той или иной степени так же характеризуют остаточное содержание присадок (т.е. содержание присадок уменьшилось в 3-5 раз)

Для анализа изменения кислотного числа работающего моторного масла проведен не сложный математический анализ. Кислотное число, косвенно определяющее накопление продуктов окисления обозначим К_к

К_к=К_к(t) – изменение кислотного числа с течением времени;

Скорость изменения кислотного числа выражается уравнением:

(1)

где – константа скорости (выражает увеличение кислотного),

В – дополнительный параметр;

(2)

Проинтегрировав получим:

(3)

Константу С` запишем в виде С`=

(4)

(5)

(6)

Используя начальные условия ,

получаем ;

(7)

Т.к. кислотное число масла зависит от содержания присадок () и продуктов окисления и старения масла (), то

(8)

Где функция P(t) – убывает, а возрастает.

(9)

(10)

Анализ изменения содержания нерастворимого осадка в отработанном моторном масле до и после его очистки в поле центробежных сил с 1,0% до 0,1-0,2% указывает на взаимосвязь данного показателя со значением кислотного числа как показателя эффективности удаления продуктов старения.

Рассмотрим функцию . Эта функция показывает количество загрязнений, или продуктов окисления которое поступило в масло, в момент времени . Пусть масло проработало часов. Посчитаем какое количество загрязнений поступило в него за это время. Для этого разобьем отрезок на частей, следующим образом:

(11)

Обозначим - длинна -го отрезка, т.е.

= , (12)

Пусть - наибольшая из всех длин полученных отрезков. Возьмем в каждом из них, произвольно по точке , и составим сумму:

(13)

Полученная сумма называется интегральной суммой для функции , и при равна определенному интегралу.

(14)

Таким образом, получили, что за время в масло поступило загрязнений:

(15)

Если не фиксировать , а взять произвольно, то получим формулу, для отыскания количества загрязнений поступивших в масло за время :

(16)

В правой части интеграл с переменным верхним пределом. Функция -непрерывная функция.

Если в течении срока службы, масло подвергалось очистке, то количество накопившихся загрязнений будет меньше. Рассмотрим график в данном случае.

251659264251659264251659264

Рисунок 1 – Характер процесса накопления продуктов старения в работающем моторном масле при их периодическом удалении (очистке)

Если масло подвергалось очистке, то принимает вид кусочно-гладкой функции, т.к. область определения функции можно разбить на конечное число частей так, что внутри каждой из них сама функция и ее производная являются непрерывными. При этом точки разбиения – это моменты времени, в которые происходила очистка масла.

Рассмотрим количество загрязнений, которое поступит в масло, в случае, если оно было очищено.

Пусть процедура очистки производилась раз в моменты времени

, тогда – количество загрязнений поступивших в масло, за отрезки времени ,

где .

Исходя из формулы (16) получим:

(17)

Обозначим количество загрязнений поступивших в масло, за время , учитывая, что масло чистилось, тогда

(18)

Итак,

(19)

Разница между количеством загрязнений, поступивших в масло без его очистки и с очисткой равна:

(20)

При этом очевидно, что наибольший эффект удаления загрязнений, при равном числе произведенных очисток масла, будет достигнут, если очистка будет производиться, через равные промежутки времени.

Тогда формулу (19) можно записать в виде

(21)

количество загрязнений, попавших в масло, если очистка проводилась через равные промежутки времени.

Если масло очищалось раз, время между очисткой масла, t – время использования масла.

Необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию совокупного показателя качества работающего моторного масла объяснятся отсутствием научно-обоснованного, доступного критериального параметра оценки состояния и свойств масла для своевременной его очистки от продуктов старения. Что в конечном результате может значительно продлить срок службы работающего моторного масла, снизить износ деталей двигателя и уменьшить затраты на ремонт и эксплуатацию сельскохозяйственной техники.

Разработка технологического процесса продления сроков службы работающих масел, восстановления их эксплуатационных свойств, путем удаления продуктов старения предусматривает обязательный периодический контроль загрязненности масла и щелочного числа. Организация периодического контроля качества масла в работающей технике для проведения операции по его очистки от смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов в условиях сельскохозяйственных предприятий представляется довольно сложной задачей. Использование лабораторных методов анализа физико-химических показателей масел предусматривает применение сложного, дорогостоящего оборудования и специалистов, что ограничивает возможность их реализации в современных сельхозпредприятиях.

Поэтому хорошо зарекомендовавшей себя альтернативной заменой лабораторного анализа может служить технология экспресс-контроля качества масел.

Для экспресс оценки эксплуатационных свойств работающих моторных масел предлагается использовать совокупный показатель качества отражающий и состояние свойств масел в динамике и качество очистки от продуктов старения. Применение такой методики позволяет и отказаться от регламентной неэффективной замены масла и продлить срок его службы. В качестве совокупного показателя качества принят показатель СК_рмм и характеризующий взаимозависимость и взаимосвязь состояния масла и параметров технологического процесса очистки работающих моторных масел от продуктов старения. Он выражается суммой единичных оценочных показателей. Применение этого показателя повышает адекватность оценки свойств масел в условиях реальной эксплуатации сельскохозяйственной техники.

По аналогии с известными решениями определения обобщенных комплексных показателей качества масел совокупный показатель качества работающих моторных масел определяется по формуле:

где - показатель качества работающего моторного масла по i-ому параметру, балл; n - число оцениваемых диагностических показателей;

- предельно допустимое значение совокупного показателя качества, соответствующее надежной работе двигателя, баллы;

Выражение (22) показывает, что ухудшение качества работающего моторного масла наблюдается при увеличении совокупного показателя оценки эксплуатационных свойств очищенного от продуктов старения масла

Показатели качественного состояния очищенного от продуктов старения моторного масла, по которым оценивают его эксплуатационные свойства и определяется срок службы масла были разделены условно на две группы (рис.2)

Принятый показатель

Содержание нерастворимых загрязнений,%

Продукты сгорания топлива, термического разложения основы масла

251669504

Рисунок 2 – Оценочные показатели качества работающего моторного масла

С учетом выбранных оценочных показателей, выражение (22) можно записать в следующем виде:

(23)

где - показатель качества очистки работающих масел от нерастворимых загрязнений и продуктов старения, баллы; -показатель качества очистки и срока службы масла по щелочному числу, баллы.

Если показатель качества очистки () от нерастворимых загрязнений (продуктов старения – смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов) в принципе прогнозируем и стремится к нулю, то показатель качества очистки по (22) щелочному числу является единовременным и только относительно может характеризовать остаточный «запас прочности» масла и срок его службы. В соответствии с чем может быть записан следующей формулой:

(24)

где - - щелочное число исходного масла, мг КОН/г; - предельное значение щелочного числа, мг КОН/г () - продолжительность использования масла (наработка 100,200, 300часов)

Левая часть выражения (24) описывает темп снижения щелочного числа и может быть обозначен через , тогда выражение (24) может быть записано:

(25)

где Х – поправочный коэффициент определяемый как Щ_тов.м/Щ_исх

где Щ_тов.м – щелочное число товарного масла, по нормативному документу (для масла М-10Г_2к – 6мг КОН/г); Щ_исх – щелочное число исходного масла определяемого на момент начала использования мг КОН/г.

Например Щ_тов.м =6 мг КОН/г Щ_исх - 5,8 – Х=1,3. Если щелочное число соответствует требованиям ГОСТ т.е. > 6мг КОН/г, то Х=7/5,8=1,2

При оценке качества очистки работающего масла от нерастворимых загрязнений К_нзс требуется знание характера и темпов их накопления в период наработки.

При очистке масла от продуктов старения ресурс масла может достигать 90..95% от ресурса свежего масла, т.к. масло после очистки должно практически полностью освобождаться от смол, продуктов окисления и срабатывания присадок, интенсифицирующих процессы окисления углеводородов.

Для более точной количественной оценки динамики накопления, удаления продуктов старения и представления ее в виде расчетных зависимостей требуется проведение исследований, в т.ч. в условиях эксплуатации.

Вместе с тем путем несложных выкладок можно получить расчетное выражение, позволяющее оценить ресурс масла по накоплению загрязнений (продуктов старения) или показатель качества очистки:

(26)

где - предельное содержание нерастворимых загрязнений (смол, асфальтенов и т.д.) % (масс); – содержание загрязнений в очищенном масле, % (масс); - темп накопления загрязнений, % (масс); – коэффициент учитывающий, отбор продуктов старения масла средствами очистки в двигателе (0,1-0,15)

(27)

где - скорость поступления продуктов старения в картерное масло при работе ДВС (30мг/л.с. ч); N – мощность двигателя, л.с.; V – объем системы смазки двигателя; - плотность масла кг/м³

С учетом выше приведенного:

(28)

Обоснование оптимального технологического процесса очистки и удаления продуктов старения из работающего моторного масла предусматривает проведение многофакторного эксперимента и нахождение зависимости совокупного показателя качества работающего моторного масла от параметров технологического процесса очистки.

В общем случае, данную зависимость можно записать как функцию:

(29)

где – технологические параметры процесса очистки работающего моторного масла;

Выражение (29) показывает, что использование совокупного показателя качества очистки работающего моторного масла упрощает многофакторный анализ.

В общем случае, зависимость совокупного показателя качества очищенного масла от n–ого числа технологических параметров процесса очистки работающего моторного масла при использовании для математического описания модели уравнения первого порядка может быть выражена:

(30)

Оптимизация процесса очистки работающего моторного масла в построенной по найденной зависимости (30) номограммы влияния параметров технологического процесса очистки на состояние работающего масла, а затем нахождения оптимальных значений технологических параметров очистки, которым соответствует высокое качество маслао чищенного от продуктов старения, т.е. нахождение условного экстремума функции (29). При этом оптимизация значений технологических параметров должна исходить из условия обеспечения запаса качества и свойств очищенного работающего масла т.е.:

(31)

Таким образом, разработанный совокупный показатель характеризует качество очистки работающего моторного масла по содержанию нерастворимых загрязнений (смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов) продуктов старения масла и щелочному числу как показателю запаса эксплуатационных свойств, что в целом позволяет оптимизировать технологический процесс очистки работающих моторных масел от продуктов старения путем определения оптимальных параметров средств очистки масел без их слива из картеров двигателей внутреннего сгорания.

Список используемой литературы

1. Арабян С.Г. и др. масла и присадки для тракторных и комбайновых двигателей. – М: машиностроение, 1984. -207с

2. Остриков В.В., Кашникова Л.В. Удаление загрязнений из моторных масел// Тракторы и сельскохозяйственные машины, № 10, 1999